ÉCOULEMENT STATIONNAIRE ÉCOULEMENT DANS DES SYSTÈMES DE TUYAUTERIE
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Les systèmes de tuyauterie servent de manière générale
à transporter des fluides. Lors de la traversée d’une
conduite, l’énergie de pression du fluide baisse suite
aux frottements tandis que l’énergie interne du fluide
augmente. La baisse de l’énergie interne du fluide est
désignée de manière générale comme étant une perte de
charge qui se manifeste par une perte de charge dans le
fluide.
En ce qui concerne les pertes qui apparaissent, on fait
la distinction entre le frottement dans le fluide et le frotte-
ment entre le fluide et la paroi ou la résistance.
En rapport avec les pertes, les termes généraux suivants
de mécanique des fluides sont abordés:
• écoulement laminaire et turbulent
• frottement du tuyau par différents matériaux et surfaces
• pertes de charge dans des conduites et raccords de
tuyauterie
• perte de charge dans des soupapes et robinetteries
Dans la pratique, les surfaces des parois de tuyau
présentent toujours une certaine rugosité. La rugosité en
surface apparaît d’une part lors du processus de fabri-
cation et d’autre part sous l’effet de dépôts en rapport
avec l’activité ou de corrosion. Le matériau du tuyau a
également une influence décisive sur la rugosité.
Dans le cas de l’écoulement laminaire, la rugosité du
tuyau n’a qu’une influence très limitée sur la perte de
charge, étant donné que les fluides ont des vitesses très
faibles dans la zone de la couche limite.
Dans le cas de l’écoulement turbulent, le fait que l’épais-
seur δ de la couche laminaire limite dépasse ou non
des aspérités de la surface du tuyau k et la recouvre
est un élément décisif. On parle dans ce cas de tuyaux
hydrauliquement lisses et la rugosité n’a pas d’influence
sur la perte de charge. Lorsque les aspérités dépassent
largement de la couche limite laminaire, l’effet lissant de la
couche limite est perdu. Dans ce cas, on parle de tuyaux
hydrauliquement rugueux et la rugosité a une influence
importante sur la perte de charge.
TUYAUX HYDRAULIQUEMENT LISSES
TUYAUX DANS LA ZONE DE TRANSITION
TUYAUX HYDRAULIQUEMENT RUGUEUX
Dans un écoulement laminaire A dans des conduites, des
particules de fluide se déplacent en couches parallèles
sans se mélanger les unes aux autres. La distribution de
la vitesse du fluide dans le tuyau n’est pas homogène.
Dans la zone périphérique, le fluide est freiné sous l’effet
du frottement du tuyau et se déplace plus lentement que
l’axe du tuyau. La perte de charge est proportionnelle
à la vitesse moyenne du fluide. Dans la pratique, on
rencontre rarement un écoulement laminaire marqué.
Dans un écoulement turbulent B, les différentes couches
de fluide s’entremêlent en tourbillonnant et échangent
de l’énergie entre elles. La forme d’écoulement qui se
forme est caractérisée par des mouvements tridimen-
sionnels, imprévisibles et non stationnaires. Une couche
limite laminaire demeure en partie, mais uniquement
dans la zone périphérique du tuyau. La distribution de la
vitesse est pratiquement constante dans une large partie
de la section du tuyau. À la différence de l’écoulement
laminaire, la perte de charge est proportionnelle au carré
de la vitesse moyenne du fluide.
La couche laminaire limite est suffisamment marquée
pour recouvrir les aspérités de la surface du tuyau.
L’écoulement tubulaire turbulent se déplace librement.
δ épaisseur de la couche limite laminaire
k hauteur des aspérités
Selon la condition d’écoulement et la constitution du
tuyau, on observe dans la pratique des formes mixtes.
Lorsque la couche laminaire limite est clairement
marquée mais que les aspérités ne sont pas entiè-
rement recouvertes, on parle de tuyaux en zone de
transition.
La couche laminaire limite est insuffisamment marquée
pour recouvrir les aspérités de la surface du tuyau.
La distinction entre écoulement laminaire et écoulement
turbulent peut être déterminée à l’aide du nombre de
Reynolds Re. Le nombre de Reynolds est un nombre
sans dimension. Lorsque le nombre de Reynolds est
inférieur à 2300, on parle d’écoulement laminaire. À partir
d’un nombre de Reynolds égal à 2300, on parle d’écoule-
ment turbulent. Les écoulements ayant le même nombre
de Reynolds ont un comportement similaire.
Re =
v·d
ν
Dans les tuyaux traversés par un écoulement,
on calcule le nombre de Reynolds Re à partir
du diamètre intérieur du tuyau d, de la vitesse
moyenne du fluide v et de la viscosité cinéma-
tique ν.
Écoulement turbulent Re ≥ 2300
FROTTEMENT DU TUYAU SUR DIFFÉRENTS MATÉRIAUX ET SURFACES
A
B
CONNAISSANCES DE BASE
ÉCOULEMENT DANS DES CONDUITES ET ROBINETTERIES
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ÉCOULEMENT LAMINAIRE ET TURBULENT DANS DES CONDUITES